What is Harmonic?

Share from Dr.Tun Naing'Post

Harmonics ဆိုသည္မွာ distribution side အတြင္း non-linear load ေတြ အသံုးျပဳမႈေၾကာင့္ Fundamental frequency (50 Hz in Myanmar) ရဲ႕ ကိန္းျပည့္ မဂဏန္း အဆကိန္းမ်ား (၃၊ ၅၊ ၇၊ ၉ …) အတိုင္းရိွတဲ့ frequency မ်ား (ဥပမာ- 150, 300, 350 Hz) ရိွတဲ့ current နဲ႔ voltage ေတြ ျဖစ္ေပၚမႈကို ေခၚပါတယ္။

Non-linear load ေတြ ဆိုတာက Electronic ballast, Computers, Telephone systems, printers, copiers, UPS, Adjustable-speed drive, arc furnace, ac/dc converter, welder စတာေတြ ျဖစ္ပါတယ္။

Odd-multiples of 3rd harmonics မ်ား (ဥပမာ- 3rd, 9th, 15th, 21st, စသည္တို႔) ကို Triplen Harmonics လို႔ေခၚပါတယ္။ ၄င္းတို႔ဟာ Zero sequence harmonics မ်ား ျဖစ္ပါတယ္။

Harmonic တခုခ်င္းအလိုက္ရဲ႕ Sequence မ်ားကို ေအာက္ပါ ဇယားမွာ ပို၍ ျမင္သာ ေလ့လာႏိုင္ပါတယ္-

 

 3 Phase အတြင္း စီးေနမယ့္ ထို harmonics current မ်ားရဲ႕ magnitude ေတြေပါင္းလို႔ရတဲ့ ပမာဏအတိုင္း neutral မွာ စီးေနမွာ ျဖစ္ပါတယ္။ ျဖစ္ေပၚလာတဲ့ စုစုေပါင္း ပမာဏဟာ မ်ားေနႏိုင္တာေၾကာင့္ neutral ၾကိဳး အရြယ္အစားသာ ေသးေနမယ္ဆိုရင္ အပူျဖစ္ေပၚမႈ မ်ားလာျပီး မီးေလာင္မႈ ျဖစ္လာႏိုင္ပါတယ္။

ထရန္စေဖာ္မာအတြင္းမွာ ထို harmonics current မ်ားေၾကာင့္ အပူခ်ိန္ျမင့္တက္မႈ ျဖစ္ေပၚလာႏိုင္ပါတယ္။ ျမင့္မားတဲ့ Hum အသံေတြ ထြက္ေပၚႏိုင္ပါတယ္။

Electronic ballast, Computers ေတြဟာ Triplen Harmonics အမ်ားဆံုး ျဖစ္ေစႏိုင္တဲ့ ပစၥည္းမ်ား ျဖစ္ပါတယ္။

5th နဲ႔ 11th Harmonics ေတြက negative sequence ေတြ ျဖစ္ပါတယ္။ စက္မႈလုပ္ငန္းေတြအတြက္ ျပႆနာျဖစ္ေစပါတယ္။ Three phase motor  ေတြမွာ  negative torque ျဖစ္ေပၚျပီး၊ Reverse ျပန္ရုန္း ေစႏိုင္ပါတယ္။ ဒီအခါ motor က (negative torque ကို ေခ်ဖ်က္တဲ့အျပင္) ပံုမွန္ direction အတိုင္း လည္ႏိုင္ေအာင္ Positive sequence current ပိုစီးေစလာရပါတယ္။ motor ပိုပူျပီး Over-current  သို႔မဟုတ္ Overheating နဲ႔ Trip ခနခန ျဖစ္တာ ၾကံဳရပါမယ္။

Distribution system အတြင္းမွာ Harmonics ေတြျဖစ္ေပၚေနမႈေၾကာင့္ ျဖစ္လာတဲ့ ေနာက္ဆက္တြဲ ဆိုးက်ိဳးေတြက -

-        overheating of transformers

-        transformer humming

-        overheating of motors and generators

-        increases hysteresis losses decreased kVA rating

-        neutral overloading

-        unacceptable neutral-to-ground voltages

-        distorted voltage and current waveforms

-        failed capacitor banks

-        breakers and fuse tripping

-        interference on phone and communication systems

-        unreliable operation of electronic equipment that utilize the voltage waveform for synchronization or timing

-        weaken insulation in cables, windings

-        erroneous register of electric meters

-        wasted electric bills

-        Poor power factor

-        Failure or malfunction of computers, motor drives, and other sensitive loads

Fundamental frequency နဲ႔ ပံုမွန္ရိွေနရမယ့္ Sine wave form မွာ Harmonics ေတြ ပါဝင္လာရင္ ေပါင္းစပ္လိုက္တဲ့အခါ wave form က ပံုစံယိုယြင္းလာျပီး Distorted wave form အျဖစ္ ေျပာင္းလဲျဖစ္ေပၚလာမွာကို ေအာက္ပါပံုမ်ားနဲ႔ ေလ့လာႏိုင္ပါတယ္-

Fundamental Sine wave မွာ 3rd Harmonic wave ပါဝင္လာတဲ့အတြက္ Distorted Wave (Complex wave) အျဖစ္ ေျပာင္းလဲသြားတဲ့ပံု ျဖစ္ပါတယ္။

Fundamental Sine wave မွာ 5th Harmonic wave ပါဝင္လာတဲ့အတြက္ Distorted Wave (Complex wave) အျဖစ္ ေျပာင္းလဲသြားတဲ့ပံု ျဖစ္ပါတယ္။

 

Fundamental Sine wave မွာ 3rd, 5th, 7th Harmonic waves ေတြ အစံု ပါဝင္လာတဲ့အတြက္ Distorted Wave (Complex wave) အျဖစ္ ေျပာင္းလဲသြားတဲ့ ပံု ျဖစ္ပါတယ္။

wave form အတြင္း ပါဝင္ေနတဲ့ Harmonic % ကို Total Harmonic Distortion (THD) လို႔ ေခၚပါတယ္။ Voltage wave form နဲ႔ ပတ္သက္ရင္ Total Harmonic Voltage Distortion (THVD) လို႔ေခၚျပီး၊ Current wave form နဲ႔ ပတ္သက္ရင္ Total Harmonic Current Distortion (THID)  လို႔ေခၚပါတယ္။ နမူနာတြက္ပံုက ေအာက္ပါအတိုင္း ျဖစ္ပါတယ္။

 THID = (I (harmonic) / I (Fundamental)   ) x 100

Distribution Network အတြင္း အသံုးျပဳေနတဲ့ လွ်ပ္စစ္ပစၥည္းအခ်ိဳ႕ေၾကာင့္ Harmonic Current ေတြစီးလာျပီး၊ Harmonic Voltage ျဖစ္ေပၚကာ တူညီတဲ့ ထရန္စေဖာ္မာတလံုးထဲက ဓာတ္အားသံုးေနသူအားလံုး ဒီဆိုးက်ိဳးကို ခံစားရမွာ ျဖစ္ပါတယ္။

ဓာတ္အားသံုးစြဲသူမ်ားရဲ႕ သံုးစြဲမႈပံုစံေၾကာင့္ Harmonic ျဖစ္ေပၚလာမႈကို ထိန္းသိမ္းႏိုင္ဖို႔ ဓာတ္အားဆက္သြယ္တဲ့ေနရာမွာ အမ်ားဆံုးလက္ခံႏိုင္မယ့္ Harmonic Level ကို ဓာတ္အားေပးသူမ်ားက စံသတ္မွတ္လာၾကပါတယ္။ သတ္မွတ္ရာမွာ THVD % နဲ႔ျဖစ္ပါတယ္။ IEEE STD 519(1992) ဟာ Harmonic Limit Standard အျဖစ္ က်ယ္က်ယ္ျပန္႔ျပန္႔ အသံုးျပဳလွ်က္ရိွပါတယ္။

Distribution Network အတြင္းမွာ Harmonic current ေတြ ရိွေနမယ္ဆိုရင္ Pead Demand ဟာ ရိွသင့္တာထက္ ပိုရိွေနမွာ ျဖစ္ပါတယ္။ ဒီအခါမွာ ဓာတ္အား ေလာက္သင့္ရဲ႕နဲ႔ ဓာတ္အားမေလာက္တာ၊ ဓာတ္အားေတြျဖတ္ေတာက္ေနရတာ၊ ဓာတ္အားလံုေလာက္ခ်င္ရင္ ဓာတ္အားေပးစက္ရံုေတြ ပိုပို တည္ေဆာက္ရတာ၊ ေလာင္စာေတြပိုသံုးျပီး ဓာတ္အားေတြ ထုတ္ေပးေနရတာေတြ ျဖစ္လာပါတယ္။

Distribution Network အတြင္းက ျဖစ္လာတဲ့ ဆိုးက်ိဳးေတြ အားလံုးကို Distribution Side မွာ မေျဖရွင္းပဲ လစ္လ်ဴရႈထားခဲ့ရင္ ေနာက္ဆံုးမွာ ဓာတ္အားစနစ္ တခုလံုးကို ထိခိုက္လာျပီး၊ ဆိုးက်ိဳးေတြေပးလာတာ ျဖစ္ပါတယ္။

Linear Load ေတြ အသံုးျပဳေနတဲ့ ဓာတ္အားေပးစနစ္မွာ Power Factor တြက္ပံုက ေအာက္ပါအတိုင္း ျဖစ္ပါတယ္-

Harmonic components ေတြ ပါရိွေနမယ့္ ဓာတ္အားေပးစနစ္မွာ Power Factor ေျပာင္းလဲ ျဖစ္ေပၚလာတဲ့ပံုစံကို ေအာက္ပါပံုမွာ ျမင္ေတြ႕ႏိုင္ပါတယ္-

Total (or true) power factor ကို ေအာက္ပါ အတိုင္း တြက္ခ်က္ပါတယ္-

 

အထက္ပါ တြက္ခ်က္မႈပံုစံအရ Harmonic Current ပါရိွမႈ THDI ကို ေလ်ာ့ခ်ႏိုင္ရင္ Total Power Factor ပိုေကာင္းလာမွာ ျဖစ္ပါတယ္။ Harmonic Filtering equipment ေတြကို တပ္သံုးျခင္းအားျဖင့္ လွ်ပ္စစ္ပစၥည္းမ်ား ခ်ိဳ႕ယြင္းမႈမွ ကာကြယ္ႏိုင္သလို Power Factor ေကာင္းလာေစပါတယ္။

Harmonic distortion ေလ်ာ့နည္းေစဖို႔ သမရိုးက်အသံုးျပဳခဲ့တဲ့ နည္းလမ္းမ်ားက-

-        Over-sizing or de-rating of the installation

-        Specially connected transformers

-        Series reactors

-        Tuned passive filter

စတဲ့ နည္းလမ္းမ်ား ျဖစ္ပါတယ္။ သို႔ေပမယ့္ ထိုနည္းလမ္းမ်ားမွာလည္း အားနည္းခ်က္ေတြ ရိွတာေၾကာင့္ ယေန႔အခ်ိန္မွာ အသံုးမ်ားတဲ့ နည္းလမ္းမ်ားက -

-        Passive Harmonic Filtering

-        Active Harmonic Filtering

-        Hybrid Harmonic Filtering

တို႔ျဖစ္ပါတယ္။